1、課題二：兩位計數器電路設計（選做）一 設計目的本文通過對兩位計數器電路的分析、仿真，闡述了計數器電路的一些設計方法，并論證了計數器電路的實現原理及過程。文中還使用了Hspice電路設計仿真軟件，這樣能讓讀者更直觀的了解計數器電路的工作原理及組成結構。對數字電子技術課程中計數器有新的認識。對Hspice軟件使用進一步的掌握。二 設計原理計數是一種最簡單基本的運算，計數器就是實現這種運算的邏輯電路，計數器在數字系統中主要是對脈沖的個數進行計數，以實現測量、計數和控制的功能，同時兼有分頻功能，計數器是由基本的計數單元和一些控制門所組成，計數單元則由一系列具有存儲信息功能的各類觸發器構成，這些觸發器有

2、RS觸發器、T觸發器、D觸發器及JK觸發器等。計數器在數字系統中應用廣泛，如在電子計算機的控制器中對指令地址進行計數，以便順序取出下一條指令，在運算器中作乘法、除法運算時記下加法、減法次數，又如在數字儀器中對脈沖的計數等等。計數器的種類很多，按時鐘脈沖輸入方式的不同，可分為同步計數器和異步計數器；按進位體制的不同，可分為二進制計數器和非二進制計數器；按計數過程中數字增減趨勢的不同，可分為加計數器、減計數器和可逆計數器。二進制異步減計數器 (1)n位二進制異步計數器由n個處于計數工作狀態(對于D 觸發器，使Di=Qin；對于JK 觸發器,使Ji=Ki=1) 的觸發器組成。各觸發器之間的連接方式由

3、加、減計數方式及觸發器的觸發方式決定。對于加計數器,若用上升沿觸發的觸發器組成，則應將低位觸發器的Q 端與相鄰高一位觸發器的時鐘脈沖輸入端相連（即進位信號應從觸發器的Q 端引出）；若用下降沿觸發的觸發器組成,則應將低位觸發器的Q 端與相鄰高一位觸發器的時鐘脈沖輸入端連接。對于減計數器，各觸發器的連接方式則相反。 (2)在二進制異步計數器中，高位觸發器的狀態翻轉必須在低一位觸發器產生進位信號（加計數）或借位信號（減計數）之后才能實現。故又稱這種類型的計數器為串行計數器。也正因為如此，異步計數器的工作速度較低。 二進制同步計數器為了提高計數速度，可采用同步計數器，其特點是，計數脈沖同時接于各位觸發

4、器的時鐘脈沖輸入端，當計數脈沖到來時，各觸發器同時被觸發,應該翻轉的觸發器是同時翻轉的，沒有各級延遲時間的積累問題。同步計數器也可稱為并行計數器。 二進制同步加計數器各位觸發器的時鐘脈沖輸入端接同一計數脈沖CP ，各觸發器的驅動方程分別為J0=K0=1、J1=K1=Q0、J2=K2=Q0Q1、J3=K3=Q0Q1Q2 。 在同步計數器中，由于計數脈沖CP 同時作用于各個觸發器，所有觸發器的翻轉是同時進行的，都比計數脈沖CP 的作用時間滯后一個tpd ,因此其工作速度一般要比異步計數器高。 應當指出的是，同步計數器的電路結構較異步計數器復雜，需要增加一些輸入控制電路，因而其工作速度也要受這些控制

5、電路的傳輸延遲時間的限制。 二進制同步可逆計數器實際應用中，有時要求一個計數器即能作加計數又能作減計數。同時兼有加和減兩種計數功能的計數器稱為可逆計數器。 四位二進制同步可逆計數器是在前面介紹的四位二進制同步加和減計數器的基礎上，增加一控制電路構成的。 當加/減控制信號X=1時，FF1FF3中的各J、K 端分別與低位各觸發器的Q 端接通，進行加計數；當X=0時，各J、K 端分別與低位各觸發器的Q 端接通，進行減計數，實現了可逆計數器的功能 。本次設計是兩位計數器實驗原理圖如下圖所示：兩位二進制同步加法計數器電路由2個上升沿觸發的D觸發器組成，具有以下特點:每個D觸發器輸入端接該觸發器Q 端信號

6、，因而Q n1Q n，即各D觸發器均處于計數狀態;計數脈沖加到最低位觸發器的C端，每個觸發器的Q 端信號接到相鄰高位的C端。 假設各觸發器均處于0態，根據電路結構特點以及D觸發器工作特性，不難得到其狀態圖和時序圖。狀態圖如下所示：十進制數Q2Q1計數N 0000101121023113400進位 由狀態圖可以清楚地看到，從初始狀態00開始，每輸入一個計數脈沖，計數器的狀態按二進制遞增（加1），輸入第4個計數脈沖后，計數器又回到00狀態。因此它是四位二進制加法計數器，也稱模八（M=8）加法計數器。 三 設計步驟本次設計原理圖有兩個D觸發器、一個異或門、一個非門、一個與非門之間相互連接組成的兩位二

7、進制加法計數器。1、子電路設計D觸發器：網表文件：.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 20NV1 1 0 5VdcM9 5 2 7 7 NCH L=1U W=80UM1 1 1 3 3 NCH L=1U W=20UM10 7 8 0 0 NCH L=1U W=80UM2 1 1 4 4 NCH L=1U W=20UM3 1 1 5 5 NCH L=1U W=20UM4 3 2 0 0 NCH L=1U W=80UM5 4 3 6 6 NCH L=1U W=80UV2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 5N 20NV3 8 0 5VdcM6 6

8、8 0 0 NCH L=1U W=80UM7 4 5 0 0 NCH L=1U W=80UM8 5 4 0 0 NCH L=1U W=80UC1 4 0 .75PC2 5 0 .75P.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理圖如下所示：仿真波形如下圖：異或門：網表文件：XOR Circuit.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 20NM1 1 1 4 4 NCH L=1U W=20U V2 2 0 PULSE .2 4.8 0N 1N 1N 5N 20N M2 1 1 5 5 NCH L=1U W=20U V3 3 0 PULSE .2 4.8

9、0N 1N 1N 5N 20N M3 1 1 6 6 NCH L=1U W=20U M4 4 2 0 0 NCH L=1U W=20U M5 5 3 0 0 NCH L=1U W=20U M6 8 2 0 0 NCH L=1U W=20U M7 6 3 8 8 NCH L=1U W=20U M8 7 4 0 0 NCH L=1U W=20U M9 6 5 7 7 NCH L=1U W=20U V1 1 0 5Vdc.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理圖如下所示：仿真波形如下圖：非門：網表文件：NOT Circuit.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN

10、200P 20NM1 3 2 1 1 PCH L=1U W=20UM2 3 2 0 0 NCH L=1U W=20UV1 1 0 5V2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 5N 20N.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理圖如下所示：仿真波形如下所示：與非門：網表文件：mos nand.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 200NM1 4 2 5 5 NCH L=1U W=40U M2 5 3 0 0 NCH L=1U W=40U M3 4 2 1 1 PCH L=1U W=40U

11、 V2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 20N 50N M4 4 3 1 1 PCH L=1U W=40U V3 3 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 20N 50NV1 1 0 5Vdc.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理圖如下所示：仿真波形如下所示：2、寫兩位計數器網表文件運用Hspice軟件子程序調用語句來實現兩位二進制計數器。網表文件如下：CN2B.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 200N.global V1 .SUBCKT KXOR 2 3 5 V1

12、 1 0 5VDCM1 1 1 4 4 NCH L=1U W=20U M2 1 1 5 5 NCH L=1U W=20U M3 1 1 6 6 NCH L=1U W=20U M4 4 2 0 0 NCH L=1U W=20U M5 5 3 0 0 NCH L=1U W=20U M6 8 2 0 0 NCH L=1U W=20U M7 6 3 8 8 NCH L=1U W=20U M8 7 4 0 0 NCH L=1U W=20U M9 6 5 7 7 NCH L=1U W=20U.ENDS KXOR.SUBCKT KNOT 5 6V1 1 0 5VDCM1 3 2 1 1 PCH L=1U W

13、=20UM2 3 2 0 0 NCH L=1U W=20U.ENDS KNOT.SUBCKT KNAND2 7 4 8V1 1 0 5VDCM1 4 2 5 5 NCH L=1U W=20U M2 5 3 0 0 NCH L=1U W=20U M3 4 2 1 1 PCH L=1U W=20U M4 4 3 1 1 PCH L=1U W=20U .ENDS KNAND2.SUBCKT KDFF 6 1 7V1 1 0 5VDCM9 5 2 7 7 NCH L=1U W=80U M1 1 1 3 3 NCH L=1U W=20U M10 7 8 0 0 NCH L=1U W=80U M2 1 1

14、 4 4 NCH L=1U W=20U M3 1 1 5 5 NCH L=1U W=20U M4 3 2 0 0 NCH L=1U W=80U M5 4 3 6 6 NCH L=1U W=80U M6 6 8 0 0 NCH L=1U W=80U M7 4 5 0 0 NCH L=1U W=80U M8 5 4 0 0 NCH L=1U W=80U .ENDS KDFF.XXOR 2 3 5 KXOR.XNOT 5 6 KNOT.XDFF 6 1 7 KDFF.XDFF1 5 1 4 KDFF.XNAND 7 4 8 KNAND2.XNOT 8 9 KNOTV2 1 0 PULSE .2 4.

15、8 0N 0N 0N 10N 20NC1 7 0 1PC2 4 0 1PC3 8 0 1P.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END3、打開網表文件與仿真進入Hspice軟件點擊open打開上面的網表文件，仿真，仿真波形如下所示：時鐘信號波形:Q1輸出波形：Q0輸出波形：四 心得體會通過這次的Hspice實習，是我初步掌握了這門軟件使用方法和電路圖設計的流程，也體會到了很多的樂趣，也激發了我對電子行業及其產品的興趣。這次實習得到了同學們的許多幫助，也是我深深體會到集體的力量，團隊合作的重要性，集體互助是多么的重要，讓我知道了學習需要互相幫助，在在互助中大家互相提高。也非常感謝指導老師對我們的幫助和嚴格要求，只有在嚴格要求下我們才會認識到自己的錯誤，并小心不會再犯。指導老師的幫助也讓我能夠快速的掌握這門軟件，真的非常感謝。通過這次實習也大大提升了我的動手操作能力。實習雖短，但是知識是無窮盡的，我會繼續努力學習更多的知識，做出更多屬于自己的東西。所以雖然實習結束了，但是我對 Hspice的學習遠遠沒有結束，以后的大學時光里，我要不要鍛煉自己。實驗中，我們還可以很直觀的觀察到實驗現象，這樣一些很抽象課本知識就變的十分容易。我覺的這次作業對我們來說是一個挑戰，特別是寫網表文件。在我看來，